CN105978630B - 一种基于声光滤波器的多倍频毫米波发生器 - Google Patents

一种基于声光滤波器的多倍频毫米波发生器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于声光滤波器的多倍频毫米波发生装置，属于光纤通信、信号处理领域。激光器(11)的输出端接马赫增德尔调制器(13)的光输入端，毫米波本振源(12)的输出端接马赫增德尔调制器(13)的电调制端，马赫增德尔调制器(13)的光输出端接光环形器(15)的1端口，FBG型声光滤波器(14)接光环形器(15)的端口2，光环形器(15)的端口3接掺饵光纤放大器(16)，掺饵光纤放大器(16)的输出端接光电探测器(17)，光电探测器(17)的输出端接带通滤波器(18)。改变FBG型声光滤波器(14)上的声波频率，实现倍频因子可调谐的毫米波的生成。

Description

一种基于声光滤波器的多倍频毫米波发生器
技术领域
本发明涉及一种基于声光滤波器的多倍频毫米波发生装置，属于光纤通信、声光调制、信号处理领域。
背景技术
微波光子学是一门研究微波与光子间的相互作用及其应用的学科。近年来，微波光子学的一项最重要应用是无线通信中利用光纤进行微波载波信号的传输，被称为光载无线电(RoF,Radio over Fiber)通信***。RoF通信***结合传统微波通信与光通信的优势，利用光纤拉远延长了高频微波信号的空间传输距离，在此基础上可实现高达Gbps量级的无线宽带接入，将网络通信容量提升一至两个数量级，应用前景广阔。高质量毫米波的光子学产生方法是目前RoF领域的研究热点之一。
使用光域方法实现微波信号生成的器件在微波光子学中被称为微波光子发生器，它可以有效地解决电域瓶颈。如果微波光子发生器用来产生毫米波频段的微波信号，也将其称之为毫米波发生器。基于光学方法产生的毫米波频率可具有很高的连续调谐范围。毫米波的光域生成技术经过十几年来的发展已经多种多样，关于毫米波发生器研究工作己经有不少报道，围绕着毫米波生成问题，由于毫米波本身工作频段很高(30～300GHz),实验设备均要求工作于毫米波频段，因此毫米波技术的研究重点在于利用相对低廉的技术成本产生较为稳定并且频率可调谐的射频毫米波信号。通常采用的毫米波生成方法主要包括直接调制法(内调制法)、间接调制法(外部调制法)、频率上转换法、光外差法等。由于外部调制器灵活的调制方式和较高的调制效率，其在RoF***中得到了广泛的应用。
光纤布拉格光栅(FBG)型全光纤声光滤波器是利用纵向声波对FBG进行轴向、周期性的压缩和拉伸，使得FBG的传输特性发生变化。FBG型全光纤声光滤波器以其特殊的传输特性、结构简单等优点，可用于滤波、多路复用、光纤激光器的选频等。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服目前RoF***中毫米波信号的生成技术复杂、成本较高，并且调谐性差这一难题，并充分利用FBG型全光纤声光滤波器的特性，提供一种基于声光滤波器的多倍频毫米波发生器。
本发明采用的技术方案：
一种基于声光滤波器的多倍频毫米波发生器，该装置包括：激光器、毫米波本振源、马赫增德尔调制器、光环形器、掺饵光纤放大器、光电探测器和FBG型全光纤声光滤波器；具体连接方式为：
激光器的输出端接马赫增德尔调制器的光输入端，毫米波本振源的输出端接马赫增德尔调制器的电调制端，马赫增德尔调制器的光输出端接光环形器的1端口，FBG型全光纤声光滤波器接光环形器的端口2，光环形器的端口3接掺饵光纤放大器，掺饵光纤放大器的输出接光电探测器，光电探测器的输出端接带通滤波器；其中FBG型全光纤声光滤波器由信号发生器、压电陶瓷片、玻璃圆锥以及光纤布拉格光栅组成。
FBG型全光纤声光滤波器反射谱中次反射和主反射峰之间的波长间距同压电陶瓷片所加声波频率成一定的线性关系；主反射峰和次反射峰的反射率同FBG型声光滤波器中压电陶瓷片两端声致应变幅度有一定的对应关系。
马赫增德尔调制器工作在适当的工作模式时，可以实现抑制奇次载波的光双边带调制。改变施加在FBG型声光滤波器上的声波频率，使得声光滤波器的主反射峰和两个次反射峰的频率分别与光载波以及其中的两个对称边带的频率吻合，滤出所需边带进行拍频，实现倍频因子可调谐的毫米波的生成。另外，通过改变FBG型声光滤波器中压电陶瓷片两端的声致应变幅度可以调节滤出的载波和边带的功率大小。
所述的马赫增德尔调制器输出的抑制奇次边带调制的信号包括载波以及所有的偶次边带。
所述的FBG型声光滤波器反射谱中包括主反射峰、左次反射峰、右次反射峰。
激光器包括脉冲锁模激光器(MLL)和连续波激光器(CW)。
马赫增德尔调制器包括单驱动马赫增德尔调制器以及双驱动马赫增德尔调制器。
本发明和已有技术相比所具有的有益效果如下：
本发明采用FBG型全光纤声光滤波器，只需改变施加在FBG型声光滤波器上的声波频率以及施加在压电陶瓷片上的声致应变幅度，即可实现倍频因子可调谐的毫米波信号的输出。整个装置仅有一个激光器、一个毫米波本振源，一个马赫增德尔调制器、一个光环形器、一个FBG型声光滤波器以及一个带通滤波器组成，而FBG型声光滤波器仅由信号发生器、压电陶瓷片、玻璃圆锥以及光纤布拉格光栅组成，构建成本低，能够很好与通信光纤匹配，连接损耗小。本发明能够实现倍频因子可调谐的多倍频毫米波信号的产生，故而适用于微波光子领域毫米波发生器的设计与优化等领域。
附图说明
图1为基于声光滤波器的多倍频毫米波发生器示意图。
图2为图1中的FBG型全光纤声光滤波器结构图。
图3为马赫增德尔调制器输出的抑制奇次边带调制信号示意图。
图4为实施例一中FBG型声光滤波器反射谱示意图。(不同的声波频率与声致应变幅度不同)
图5为实施例一中产生的2倍频毫米波信号电频谱图。
图6为实施例二中FBG型声光滤波器反射谱示意图。
图7为实施例二中产生的4倍频毫米波信号电频谱图。
图8为实施例三中FBG型声光滤波器反射谱示意图。
图9为实施例三中产生的4倍频毫米波信号电频谱图。
图10为实施例四中FBG型声光滤波器反射谱示意图。
图11为实施例四中产生的6倍频毫米波信号电谱图。
图12为实施例五中FBG型声光滤波器反射谱示意图。
图13为实施例五中产生的8倍频毫米波信号电频谱图。
图14为实施例六中FBG型声光滤波器反射谱示意图。
图15为实施例六中产生的12倍频毫米波信号电频谱图。
具体实施方式
下面结合附图1至15对基于声光滤波器的多倍频毫米波发生器作进一步描述。
实施例一
一种基于声光滤波器的多倍频毫米波发生器，该装置包括：激光器11、毫米波本振源12、马赫增德尔调制器13、FBG型全光纤声光滤波器14、光环形器15、掺饵光纤放大器16、光电探测器17和带通滤波器18；具体连接方式为：
激光器11的输出端接马赫增德尔调制器13的光输入端，毫米波本振源12的输出端接马赫增德尔调制器13的电调制端，马赫增德尔调制器13的光输出端接光环形器15的1端口，FBG型全光纤声光滤波器14接光环形器15的端口2，光环形器15的端口3接掺饵光纤放大器16，掺饵光纤放大器16的输出接光电探测器17，光电探测器17的输出端接带通滤波器18；其中FBG型全光纤声光滤波器14由信号发生器21、压电陶瓷片22、玻璃圆锥23以及光纤布拉格光栅24组成。
本实例中毫米波本振源12产生正弦波信号4.946GHz，激光器11中心频率1544.40nm，经马赫增德尔调制器13调制后变成抑制奇次边带的光双边带信号；载频3a、-2阶边带3b、+2阶边带3c、-4阶边带3d、+4阶边带3e、-6阶边带3f和+6阶边带3g，如图3所示。FBG型声光滤波器14中压电陶瓷片22两端所加超声波频率为0.566MHz，所加声致应变幅度为50με，其反射谱如图4所示，图4中的4a、4b和4c分别将3a、3b和3c滤出，经过掺饵光纤放大器16放大，光电探测器17拍频以及中心频率为9.892GHz，带宽为1GHz的带通滤波器18滤波器后，产生的2倍频毫米波信号电频谱图如图5所示。
实施例二
一种基于声光滤波器的多倍频毫米波发生器，该装置包括：激光器11、毫米波本振源12、马赫增德尔调制器13、FBG型全光纤声光滤波器14、光环形器15、掺饵光纤放大器16、光电探测器17和带通滤波器18；具体连接方式为：
激光器11的输出端接马赫增德尔调制器13的光输入端，毫米波本振源12的输出端接马赫增德尔调制器13的电调制端，马赫增德尔调制器13的光输出端接光环形器15的1端口，FBG型全光纤声光滤波器14接光环形器15的端口2，光环形器15的端口3接掺饵光纤放大器16，掺饵光纤放大器16的输出接光电探测器17，光电探测器17的输出端接带通滤波器18；其中FBG型全光纤声光滤波器14由信号发生器21、压电陶瓷片22、玻璃圆锥23以及光纤布拉格光栅24组成。
本实例中毫米波本振源12产生正弦波信号4.946GHz，激光器11中心频率1544.40nm，经马赫增德尔调制器13调制后变成抑制奇次边带的光双边带信号；载频3a、-2阶边带3b、+2阶边带3c、-4阶边带3d、+4阶边带3e、-6阶边带3f和+6阶边带3g，如图3所示。FBG型声光滤波器14中压电陶瓷片22两端所加超声波频率为0.566MHz，所加声致应变幅度为50με，其反射谱如图6所示，图6中的6a、6b和6c分别将3a、3b和3c滤出，经过掺饵光纤放大器16放大，光电探测器17拍频以及中心频率为19.784GHz，带宽为1GHz的带通滤波器18滤波器后，产生的4倍频毫米波信号电频谱图如图7所示。
实施例三
一种基于声光滤波器的多倍频毫米波发生器，该装置包括：激光器11、毫米波本振源12、马赫增德尔调制器13、FBG型全光纤声光滤波器14、光环形器15、掺饵光纤放大器16、光电探测器17和带通滤波器18；具体连接方式为：
激光器11的输出端接马赫增德尔调制器13的光输入端，毫米波本振源12的输出端接马赫增德尔调制器13的电调制端，马赫增德尔调制器13的光输出端接光环形器15的1端口，FBG型全光纤声光滤波器14接光环形器15的端口2，光环形器15的端口3接掺饵光纤放大器16，掺饵光纤放大器16的输出接光电探测器17，光电探测器17的输出端接带通滤波器18；其中FBG型全光纤声光滤波器14由信号发生器21、压电陶瓷片22、玻璃圆锥23以及光纤布拉格光栅24组成。
本实例中毫米波本振源12产生正弦波信号4.946GHz，激光器11中心频率1544.40nm，经马赫增德尔调制器13调制后变成抑制奇次边带的光双边带信号；载频3a、-2阶边带3b、+2阶边带3c、-4阶边带3d、+4阶边带3e、-6阶边带3f和+6阶边带3g，如图3所示。FBG型声光滤波器14中压电陶瓷片22两端所加超声波频率为1.133MHz，所加声致应变幅度为150με，其反射谱如图8所示，图8中的8a、8b和8c分别将3a、3d和3e滤出，经过掺饵光纤放大器16放大，光电探测器17拍频以及中心频率为39.568GHz，带宽为1GHz的带通滤波器18滤波器后，产生的4倍频毫米波信号电频谱图如图9所示。
实施例四
一种基于声光滤波器的多倍频毫米波发生器，该装置包括：激光器11、毫米波本振源12、马赫增德尔调制器13、FBG型全光纤声光滤波器14、光环形器15、掺饵光纤放大器16、光电探测器17和带通滤波器18；具体连接方式为：
激光器11的输出端接马赫增德尔调制器13的光输入端，毫米波本振源12的输出端接马赫增德尔调制器13的电调制端，马赫增德尔调制器13的光输出端接光环形器15的1端口，FBG型全光纤声光滤波器14接光环形器15的端口2，光环形器15的端口3接掺饵光纤放大器16，掺饵光纤放大器16的输出接光电探测器17，光电探测器17的输出端接带通滤波器18；其中FBG型全光纤声光滤波器14由信号发生器21、压电陶瓷片22、玻璃圆锥23以及光纤布拉格光栅24组成。
本实例中毫米波本振源12产生正弦波信号4.946GHz，激光器11中心频率1544.40nm，经马赫增德尔调制器13调制后变成抑制奇次边带的光双边带信号；载频3a、-2阶边带3b、+2阶边带3c、-4阶边带3d、+4阶边带3e、-6阶边带3f和+6阶边带3g，如图3所示。FBG型声光滤波器14中压电陶瓷片22两端所加超声波频率为1.1698MHz，所加声致应变幅度为160με，其反射谱如图10所示，图10中的10a、10b和10c分别将3a、3f和3g滤出，经过掺饵光纤放大器16放大，光电探测器17拍频以及中心频率为29.676GHz，带宽为1GHz的带通滤波器18滤波器后，产生的6倍频毫米波信号电频谱图如图11所示。
实施例五
一种基于声光滤波器的多倍频毫米波发生器，该装置包括：激光器11、毫米波本振源12、马赫增德尔调制器13、FBG型全光纤声光滤波器14、光环形器15、掺饵光纤放大器16、光电探测器17和带通滤波器18；具体连接方式为：
激光器11的输出端接马赫增德尔调制器13的光输入端，毫米波本振源12的输出端接马赫增德尔调制器13的电调制端，马赫增德尔调制器13的光输出端接光环形器15的1端口，FBG型全光纤声光滤波器14接光环形器15的端口2，光环形器15的端口3接掺饵光纤放大器16，掺饵光纤放大器16的输出接光电探测器17，光电探测器17的输出端接带通滤波器18；其中FBG型全光纤声光滤波器14由信号发生器21、压电陶瓷片22、玻璃圆锥23以及光纤布拉格光栅24组成。
本实例中毫米波本振源12产生正弦波信号4.946GHz，激光器11中心频率1544.40nm，经马赫增德尔调制器13调制后变成抑制奇次边带的光双边带信号；载频3a、-2阶边带3b、+2阶边带3c、-4阶边带3d、+4阶边带3e、-6阶边带3f和+6阶边带3g，如图3所示。FBG型声光滤波器14中压电陶瓷片22两端所加超声波频率为1.133MHz，所加声致应变幅度为150με，其反射谱如图12所示，图12中的12a、12b和12c分别将3a、3d和3e滤出，经过掺饵光纤放大器16放大，光电探测器17拍频以及中心频率为39.568GHz，带宽为1GHz的带通滤波器18滤波器后，产生的8倍频毫米波信号电频谱图如图13所示。
实施例六
一种基于声光滤波器的多倍频毫米波发生器，该装置包括：激光器11、毫米波本振源12、马赫增德尔调制器13、FBG型全光纤声光滤波器14、光环形器15、掺饵光纤放大器16、光电探测器17和带通滤波器18；具体连接方式为：
激光器11的输出端接马赫增德尔调制器13的光输入端，毫米波本振源12的输出端接马赫增德尔调制器13的电调制端，马赫增德尔调制器13的光输出端接光环形器15的1端口，FBG型全光纤声光滤波器14接光环形器15的端口2，光环形器15的端口3接掺饵光纤放大器16，掺饵光纤放大器16的输出接光电探测器17，光电探测器17的输出端接带通滤波器18；其中FBG型全光纤声光滤波器14由信号发生器21、压电陶瓷片22、玻璃圆锥23以及光纤布拉格光栅24组成。
本实例中毫米波本振源12产生正弦波信号4.946GHz，激光器11中心频率1544.40nm，经马赫增德尔调制器13调制后变成抑制奇次边带的光双边带信号；载频3a、-2阶边带3b、+2阶边带3c、-4阶边带3d、+4阶边带3e、-6阶边带3f和+6阶边带3g，如图3所示。FBG型声光滤波器14中压电陶瓷片22两端所加超声波频率为1.698MHz，所加声致应变幅度为160με，其反射谱如图14所示，图14中的14a、14b和14c分别将3a、3f和3g滤出，经过掺饵光纤放大器16放大，光电探测器17拍频以及中心频率为59.352GHz，带宽为1GHz的带通滤波器18滤波器后，产生的12倍频毫米波信号电频谱图如图15所示。

Claims (6)

1.一种基于声光滤波器的多倍频毫米波发生器，该毫米波发生器包括：激光器(11)、毫米波本振源(12)、马赫增德尔调制器(13)、FBG型声光滤波器(14)、光环形器(15)、掺饵光纤放大器(16)、光电探测器(17)和带通滤波器(18)；具体连接方式为：
激光器(11)的输出端接马赫增德尔调制器(13)的光输入端，毫米波本振源(12)的输出端接马赫增德尔调制器(13)的电调制端，马赫增德尔调制器(13)的光输出端接光环形器(15)的1端口，FBG型声光滤波器(14)接光环形器(15)的端口2，光环形器(15)的端口3接掺饵光纤放大器(16)，掺饵光纤放大器(16)的输出接光电探测器(17)，光电探测器(17)的输出端接带通滤波器(18)；其中FBG型声光滤波器(14)由信号发生器(21)、压电陶瓷片(22)、玻璃圆锥(23)以及光纤布拉格光栅(24)组成；
FBG型声光滤波器(14)透射谱中次反射峰和主反射峰之间的波长间距同压电陶瓷片(22)所加声波频率成一定的线性关系；主反射峰和次反射峰的反射率同FBG型声光滤波器(14)中压电陶瓷片(22)两端声致应变幅度有一定的对应关系。
2.根据权利要求1所述的一种基于声光滤波器的多倍频毫米波发生器，其特征在于：
马赫增德尔调制器(13)工作在适当的工作模式时，可以实现抑制奇次载波的光双边带调制；改变施加在FBG型声光滤波器(14)上的声波频率，使得FBG型声光滤波器(14)的主反射峰和两个次反射峰的频率分别与光载波以及其中的两个对称边带的频率吻合，滤出所需边带进行拍频，实现倍频因子可调谐的毫米波的生成；另外，通过改变FBG型声光滤波器(14)中压电陶瓷片(22)两端的声致应变幅度可以调节滤出的载波和边带的功率大小。
3.根据权利要求1所述的一种基于声光滤波器的多倍频毫米波发生器，其特征在于：
所述的马赫增德尔调制器(13)输出的抑制奇次边带调制的信号包括载波以及所有的偶次边带。
4.根据权利要求1所述的一种基于声光滤波器的多倍频毫米波发生器，其特征在于：
所述的FBG型声光滤波器(14)反射谱中包括主反射峰(4a)、左次反射峰(4b)、右次反射峰(4c)。
5.根据权利要求1所述的一种基于声光滤波器的多倍频毫米波发生器，其特征在于：
激光器(11)包括脉冲锁模激光器(MLL)或连续波激光器(CW)。
6.根据权利要求1所述的一种基于声光滤波器的多倍频毫米波发生器，其特征在于：
马赫增德尔调制器(13)包括单驱动马赫增德尔调制器或双驱动马赫增德尔调制器。
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